Radiation Hardness

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Radiation Hardness

• On the SPD Front End ASIC and board

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Overview

• Understand the possible effects
• Compare the levels at which appear with the real
  environment where the chip works
• Set the test to check the performance

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(No Transcript)
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Efectos Acumulativos - TID(Total Ionizing
Dose) 1/1

• Mecanismo de actuación. Debido a la energia
  depositada en los dispositivos por radiación en
  forma de ionización. Unidad (1 Gy 100 rad)
  referenciada al material.
• Efecto Físico. Ionización del SiO2 creando pares
  e--h que pueden ser separados en presencia de un
  campo elèctrico. Los huecos de menor mobilidad,
  pueden quedar atrapados o migrar a la interfície
  Si- SiO2 creando estados intersticiales.
• Consecuencias.
• CMOS Analog. Vtn?(para bajos niveles de
  radiación) Ron ? Gm ?
• Vtn?(para altos niveles de radiación) Ron ? Gm
  ?
• Vtp? Ron ? Gm ?
• Csc?
• Corriente de fuga IleakageDS y entre NMOS
  adyacentes
• Detección. Niveles de thereshold, incremento
  de IDD.
• CMOS Digital Si Vtn? 1-gt 0 incremento de
  velocidad, en el resto de casos la velocidad de
  conmutación decrece (jitter).
• El consumo dinàmico ?.
• Riesgo de que no se produzcan las
  commutaciones.
• Bipolars Decremento de ß. GBW ? Rin ?
• Estrategias. Anillos de guarda, estructuras
  diferenciales, sustituir NOR con n inputs
  por NAND inverter.

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Efectos Acumulativos - TID(Total Ionizing Dose)

• Niveles previstos.
• Estos niveles se consideran bajos y teoricamente
  alcanzados por dispositivos standards
  seleccionados.
• Metodo de Test Usual.
• Los disopositivos CMOS se irradian a HDR (High
  Dose Rate) 24h i después se someten a alta
  temperatura 168h con el dispositivo
  constantemente alimentado para medidas on-line.
  Fuente de rayos gamma CO60 o X.
• Bipolares se irradian a LDR (Low Dose Rate). Con
  todos los pines a massa.
• BICMOS, no especialmente especificado pero parece
  que el test usual corresponde al utilizado para
  los CMOS.

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Efectos Acumulativos - Displacement Damage (NIEL)

• Mecanismo de actuación. Debido al impacto de
  partículas no cargadas. Unidad (particulas/cm 2)
  referenciada habitualmente para neutrones a 1Mev
  (NIEL, Non-Ionizing Energy Loss).
• Efecto Físico. Desplazamiento de atomos de su
  posición de lattice.
• Consecuencias.
• CMOS. Practicamente despreciables.
• Bipolars IB ? Decremento de ß. GBW ?
• Otros Dispositivos especialmente sensibles són
  algunas fuentes de luz, fotodetectores y
  optoacopladores.
• Estrategias. Transistores verticales de base
  delgada i con frecuencia de corte alta.
• Niveles previstos.
• Estos niveles no se como se consideran pero por
  comparación con tablas del ATLAS corresponden
  tambien a niveles bajos teoricamente bajos.

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Efectos Acumulativos - Displacement Damage (NIEL)

• Metodo de Test Usual.
• Parece usual la medida off-line para lo cual
  todos los terminales deben ser cortocircuitados.
  Se realizan a temperatura ambiente y con làminas
  de Sr32, Fe54 y Ni58 sobre el dispositivo a
  testear para medir la fluencia total de neutrones
  rapidos.

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Efectos Singulares - Single Event Effect (SEE)

• Mecanismo de actuación Se define como cualquier
  efecto inducido por el paso de una partícula
  altamente cargada. Se dividen usualmente, a
  efectos de clasificación de acuerdo con el
  caràcter temporal de sus efectos, en permanentes,
  estàticos i transitorios.
• Tipos
• Permanentes (Permanent SEE)
• SEL- Single Event Latch-up. Perdida de
  funcionalidad en tecnologias CMOS debido a la
  activación de un tiristor parasito npnp inducido
  por la deposición de energia por parte de una
  partícula altamente cargada en un punto sensible
  del circuito. Representa un cortocircuito
  efectivo de las linias de alimentación
• SEB - Single Event Burnout. Destrucción de
  transistores de potencia (MOS y BJT) cuando se
  encuentran en estado OFF debido a una corriente
  de cortocircuito inducida entre la barrea de
  potencial.
• SEGR - Single Event Burnout Gate Rupture.
  Destrucción de transistores MOS de potencia
  debido al incremento del campo electrico entre la
  puerta y el oxido por encima del potencial de
  ruptura en estado OFF.
• Estaticos (Static SEE)
• SEU- Single Event Upset. Cuando uno o mas bits de
  información almacenada en un circuito digital son
  sobre escritos por la acumulación de carga debida
  al paso de una particula cargada. Usualmente se
  habla de Bit Flips cuando suceden sobre circuitos
  secuenciales. Requiere un sistema de
  comprobación.
• SEFI - Single Event Functional Interrupt. Caso
  particular de SEU cuando este afecta a
  funciones especiales del circuito, test o
  maquines de estado. Requiere un sistema de reset.
• Transitorios (Transient SEE)
• SET - Single Event Transient. Cuando debido a la
  acumulación de carga debida al paso de una
  particula cargada sobre un punto del circuito se
  induce una senyal espurea que se propaga.
  Usualmente se habla de efectos transitorios
  cuando afectan a circuitos combinacionales o bien
  a circuitos analògicos.

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Efectos Singulares - Single Event Effect (SEE)
Otro sistema de clasificación mas usual los
relaciona con el efecto que producen sobre el
circuito calificandolos de destructivos para los
que causan daños permanentes (SEL, SEB, SEGR) que
no permiten que el sistema continue operando,
fuertes, hard para los que causan daños no
recuperables (stuck 1) y suaves, soft, para los
que causan daños no permanentes que se pueden
recuperar reseteando el sistema, sobreescribiendo
una memoria o bien mediante de tecnicas de
corrección y/o detección de errors.En el sistema
que nos ocupa solo són de consideración, de
caràcter permanente el SEL, de caracter estatico
el SEU y el SET de caracter transitorio. En
cualquier caso el sistema ý protocolo de test
para la deteccion de los diferentes efectos SEE
es practicamente el mismo y la detección se
produce de acuerdo con el ultimo criterio de
classificacion relacionado.

• SEL
• Efecto Físico. SEL - Cortocircuito por activación
  del tiristor parásito NPNP en CMOS.
• Consecuencias.
• CMOS. Cortocircuito IDD ?
• Estrategias. SOI (descartado tecnologicamente) y
  limitadores de corriente con sistema de reset o
  no.

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Efectos Singulares - Single Event Effect (SEE)

• SEU/SET
• Efecto Físico. SEU/SET - Acumulación de carga
• Consecuencias.
• CMOS. Bits erroneos en sistemas digitales,
  registros de datos, maquinas de estado y
  memorias, soft. Hard cuando estos errores no son
  recuperables.
• BJT. Falsa detección o activación de OPAs,
  triggers, etc.
• Estrategias. Sistema triple voting para y
  sistema de detección y/o corrección de
  errores.
• Niveles Previstos.

La unidad habitual para describir los efectos SEE
es la seccion transversal y se expresa como el
ratio de numero de errores respecto al flujo
total de particulas, para cada LET??. Estos
niveles no se como se consideran pero por
comparación con tablas del ATLAS corresponden
tambien a niveles teoricamente bajos.
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Efectos Singulares - Single Event Effect (SEE)

• Metodo de Test Usual.
• Consiste en terminos generales en el bombardeo de
  protones con energias en el rango de 20 a 300 Mev
  o iones pesados. Mientras se procede a la lectura
  y monitorización del sistema tratando de
  localizar los SEE si es posible mediante la
  escritura de determindaos bit pattern. El sistema
  de test debe ser capaz de registrar el numero
  localizacióm y tiempo de los SEE.

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Cuestiones a cerca del procedimiento

• Esta definida la instalación donde se llevaran a
  cabo los test? O aun se debe definir en función
  de las necesidades específicas de los test? IFAE?
• Necesario para conocer el tipo de particulas y
  establecer las equivalencias en tiempo.
• Necesario para conocer el area disponible i el
  area cubierta por el haz de particulas.
• Acceso a las webs atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/F
  RONTEND/components/ donde se relacionan los COTS
  i inscripción al lhc-radwg.web.cern.ch/LHC-radwg/
  donde se establecen las decisiones y parametros
  referentes a RadHard